電弧離子鍍NiCoCrAlYTa涂層制備及其高溫防護性能研究

黃艷松，林松盛，石 倩，代明江，鄭彩鳳，云海濤，諶曲平，汪云程

（1.海軍裝備部駐長沙地區(qū)軍事代表室，湖南 株洲 412000；2.廣東省科學(xué)院新材料研究所 現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國家工程實驗室廣東省現(xiàn)代表面工程技術(shù)重點實驗室，廣州 5106511；3.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

隨著航空工業(yè)高速發(fā)展，特別是發(fā)動機溫度的不斷提高，對熱端部件材料性能的要求越來越高。所需材料既要具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和組織穩(wěn)定性，又要滿足抗高溫氧化和熱腐蝕性能良好的服役性能，使用一種合金材料同時兼顧這些性能是難以實現(xiàn)的。因此必須在保證高溫合金材料具有優(yōu)良力學(xué)性能的前提下，通過表面涂覆防護涂層來提高其抗高溫氧化和耐熱腐蝕能力，大量研究表明[1-5]，這是一種有效且節(jié)能的途徑。目前，高溫防護涂層技術(shù)已逐漸發(fā)展成為航空發(fā)動機制造中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

NiCoCrAlYTa涂層因具有優(yōu)良的抗高溫氧化和耐高溫腐蝕性能，已成為最常用的高溫防護涂層之一。該類涂層最廣泛采用的制備方法是熱噴涂技術(shù)[6-8]；其次是電子束物理氣相沉積技術(shù)（EBPVD）[9-10]，用EBPVD制備的合金涂層更多地用作熱障涂層的合金黏結(jié)層，較少單獨使用；用電弧離子鍍技術(shù)制備NiCoCrAlYTa涂層的研究報道不多[11-12]。電弧離子鍍是制備高溫防護涂層的新興技術(shù)，值得深入研究探討，用該技術(shù)制備的涂層致密細(xì)膩、無需后加工。

本試驗采用電弧離子鍍技術(shù)在DZ22B高溫合金表面鍍NiCoCrAlYTa涂層，并研究NiCoCrAlYTa涂層對基材力學(xué)性能的影響和抗高溫氧化、耐高溫腐蝕性能，為NiCoCrAlYTa涂層的應(yīng)用積累數(shù)據(jù)。

1 試驗

1.1 試樣制備

基體材料為DZ22B高溫合金，平面試樣鍍前用砂紙打磨至表面粗糙度Ra約為0.8 μm，拉伸試樣按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制備。采用國產(chǎn)AS700型電弧離子鍍設(shè)備沉積NiCoCrAlYTa涂層。靶材為NiCoCrAlYTa靶（Co約20 wt%，Cr約20 wt%，Al約10 wt%，Y約1 wt%，Ta約2 wt%，Ni余量），尺寸為D100 mm×30 mm，Ar純度大于等于99.999%。真空室抽至壓力優(yōu)于5×10-3Pa后，通Ar至約2.0 Pa，利用-1 000 V偏壓進行Ar離子轟擊30 min，隨后沉積NiCoCrAlYTa涂層，沉積工藝為靶電流110 A，偏壓-100 V，時間600 min。最后，對涂層進行真空熱處理（1 080℃熱擴散4 h加870℃時效處理32 h）。

1.2 測試方法

采用Nova NanoSEM 430型超高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察涂層表面和截面形貌；用Smartlab 9kW型高分辨X射線衍射儀分析涂層物相；用CSS-88500萬能試驗機檢測試樣的室溫拉伸性能，用RC-1280高溫蠕變持久試驗機測試試樣的高溫持久強度；按HB5258-2000[13]進行靜態(tài)氧化試驗，在1 050℃靜態(tài)空氣環(huán)境中恒溫氧化，試樣放置于坩堝中按設(shè)定時間（10 h、25 h、50 h、75 h、100 h、150 h和200 h）氧化后連同坩堝一起取出、稱重，減去坩堝的質(zhì)量得到試樣氧化后的質(zhì)量，稱重后再放回爐內(nèi)氧化，直至氧化時間達到200 h。稱重設(shè)備為德國BS224S型電子天平秤，精確度為0.000 1 g；按HB7740-2004[14]進行燃?xì)鉄岣g試驗，分別將基材和涂層試樣在試驗溫度950℃、燃油流量0.2 L/h、鹽濃度2.0×10-5（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、人造海水流量0.2 L/h中試驗100 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 NiCoCrAlYTa涂層結(jié)構(gòu)分析

圖1為所沉積的NiCoCrAlYTa涂層及真空熱處理后的表面和截面形貌。由圖可知，涂層比較致密且與DZ22B高溫合金基材結(jié)合良好，表面存在少量的聚集態(tài)顆粒，涂層厚度達60 μm以上。經(jīng)真空熱處理后涂層更加致密，且因元素互擴散使得涂層與基體有一定的冶金結(jié)合，形成良好的過渡區(qū)域，界面不明顯。

圖1 NiCoCrAlYTa涂層表面及截面形貌Fig.1 Surface and section morphology of NiCoCrAlYTa coatings

圖2為NiCoCrAlYTa涂層真空熱處理前后的XRD衍射圖。由圖可知，所沉積的NiCoCrAlYTa涂層的主要相組織是 γ′-Ni3Al/γ-Ni，伴有少量的 β-NiAl相。經(jīng)真空熱處理后，涂層中的主相變化不大，有少量的α-Cr新相形成，β-NiAl相峰強稍變?nèi)?。這可能是由于真空熱處理后，涂層中少量β-NiAl相中的Al元素發(fā)生外擴散而形成貧Al的γ′-Ni3Al相所致。

圖2 NiCoCrAlYTa涂層熱處理前后的XRD圖Fig.2 XRD patterns of NiCoCrAlYTa coatings as-deposited and after heat treated

2.2 NiCoCrAlYTa涂層主要性能分析

對DZ22B基體材料和表面鍍NiCoCrAlYTa涂層的拉伸試樣進行室溫拉伸及高溫持久試驗，結(jié)果分別如表1和表2所列。其中DZ22B基材和表面鍍NiCoCrAlYTa涂層后室溫抗拉強度（σb）均達到1 000 MPa以上，屈服強度（σ0.2）均高于800 MPa，伸長率（δ）均高于8%，滿足σb≥965 MPa，σ0.2≥800 MPa，δ≥5%的應(yīng)用要求。在高溫光滑持久強度性能試驗中，試驗溫度為982℃，持久強度（σ）為220 MPa，有無涂層試樣的持久試驗時間（壽命）均超過35 h，伸長率≥25%，滿足持久試驗時間≥32 h和伸長率≥10%的應(yīng)用要求。鍍NiCoCrAlYTa涂層對DZ22B材料的室溫拉伸性能和高溫光滑持久強度性能稍有影響，但比較小，材料的整體性能均能達到應(yīng)用要求。圖3是NiCoCrAlYTa涂層在1 050℃溫度下分別氧化50 h、100 h和200 h后的表面和截面形貌。涂層經(jīng)1 050℃氧化50 h后，表面保持平整致密狀態(tài)，未出現(xiàn)孔洞和裂紋等缺陷，如圖3（a）所示；由截面圖3（b）可見，50 h氧化后涂層的最表層形成一層致密的氧化物層（圖3（b）中深黑色層），經(jīng)XRD分析，該層主要是Cr和Al的氧化物，如圖4所示，同時，涂層與基材之間的界面比氧化前更模糊了，界面之間的元素互擴散得更多；氧化100 h后，涂層表面可觀察到珊瑚蟲狀的Al、Cr混合氧化物，如圖3（c）所示；從截面形貌（圖3（d））也可清晰地觀察到表面氧化物層的增厚；隨著氧化時間延長至200 h，涂層表面反而變得平整了，如圖3（e）所示，這是由于涂層表面氧化層剝落而露出了平整的次表層，氧化加深造成的，如圖3（f）所示。

表1 DZ22B基材及涂層試樣室溫拉伸性能Tab.1 Tensile properties of DZ22B and coating samples at room temperature

表2 DZ22B基材及涂層試樣982℃光滑持久強度性能Tab.2 Smooth endurance strength properties of DZ22B and coating samples at 982℃

圖3 1 050℃下NiCoCrAlYTa涂層氧化不同時間后的表面和截面形貌圖Fig.3 Surface and cross-sectional morphology of NiCoCrAlYTa coating at different times of oxidation at 1 050℃

圖4 1 050℃NiCoCrAlYTa涂層氧化不同時間的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of NiCoCrAlYTa coating at different times of oxidation at 1 050℃

圖5是DZ22B基材和鍍NiCoCrAlYTa涂層的試樣在1 050℃下氧化200 h的動力學(xué)曲線。由圖可知，DZ22B基材在所有取樣時間點的氧化增重均比涂層試樣大。計算結(jié)果表明，1 050℃恒溫氧化200 h過程中，基材DZ22B的平均氧化速度為0.009 67 mg/（cm2·h），NiCoCrAlYTa涂層的平均氧化速度為0.004 39 mg/（cm2·h），鍍NiCoCrAlYTa涂層后平均氧化速度降低了50%左右。這主要是由于高溫下涂層表面首先形成一層致密的Al和Cr氧化膜，減緩了氧化速度。而隨著氧化的進行，表面的氧化層越來越厚，氧化層中的熱應(yīng)力也增大，當(dāng)應(yīng)力增長到一定程度后氧化層開裂進而剝落，新露出的表面又被氧化，直至涂層被消耗完而失效。

圖5 1 050℃氧化200 h的動力學(xué)曲線Fig.5 1 050℃kinetic curves of isothermal oxidation of 200 h

DZ22B經(jīng)NiCoCrAlYTa涂層表面防護后其腐蝕速率為0.007 mg/（cm2·h），遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基體材料的1.575 mg/（cm2·h），鍍覆處理后材料的抗燃?xì)鉄岣g能力提高了225倍。

3 結(jié)論

利用真空陰極電弧離子鍍技術(shù)在DZ22B高溫合金表面沉積NiCoCrAlYTa涂層并經(jīng)真空熱處理,研究了其相關(guān)性能。

（1）制備的NiCoCrAlYTa涂層厚度達60μm以上，熱處理后，涂層更加致密且與基體因互擴散實現(xiàn)冶金結(jié)合；NiCoCrAlYTa涂層相組織主要為γ′-Ni3Al/γ-Ni。

（2）表面鍍NiCoCrAlYTa涂層后，對DZ22B基材的室溫拉伸性能和高溫光滑持久性能雖稍有影響,但均能滿足應(yīng)用的要求。

（3）1 050℃高溫下，NiCoCrAlYTa涂層表面形成一層致密的氧化層，從而減緩了氧化速度，其氧化速度僅為DZ22B基材的一半；鍍覆NiCoCrAlYTa涂層后DZ22B基材抗950℃燃?xì)鉄岣g能力提高了225倍。